适用于铝导线超声波焊接的铜端子结构标准化设计探讨

李舜尧

(上海金亭汽车线束有限公司, 上海 200444)

0 引言

铜导线一直以来是汽车电气系统中传输动力与信号电流的主要载体。随着各国法规对节能环保要求的不断提高，以及行业内成本压力的持续上升，寻找轻量化和低成本导体替代铜导线已成为行业的趋势。

而铝的导电率仅次于铜，其比重仅为铜的30.13%，且价格相对稳定，仅为铜的30%左右。因此它不失为铜导线的理想替代品而受到行业内的青睐。特别是应用在长度较长的大线径动力电缆上具有非常好的降低重量和降低成本的效果。目前已有不少主机厂在尝试将铝导线批量应用在整车线束上。

考虑到铝材料的强度问题，铝导线在应用时两端仍通过铜端子与其他电气设备相连接。而大线径铝导线与铜端子之间的连接目前主要有以下3种形式：超声波焊连接、摩擦焊连接和等离子体锡焊连接。文中主要研究对象是铜端子与铝导线之间的超声波焊接连接。

1 铜端子与铝导线连接的技术难点

1.1 铝导体表面存在氧化膜

铝导体和氧之间具有很强的亲和力。即便在常温下，与空气接触的瞬间其表面就会形成致密的三氧化二铝(Al2O3)。这层氧化膜仅为2 nm厚，却紧密地与铝基材表面相结合。与铜导体相比，虽然铝导体上的氧化膜阻止了氧向其内部扩散，并在大气中起到了良好的抗腐蚀保护作用。但是其良好的绝缘效果，阻止了电子从一个铝基材导体向另一个铝基材导体移动，即电子只能在铝基材本体内移动。

正因为这一特点，铝导线端部在去除绝缘护套后，接触空气的铝导体表面形成了氧化膜。如图1所示，铝导体中的电子只能在单根铝丝中移动，而无法在铝丝与铝丝之间移动。如果在一束铝芯线中存在部分断丝现象，那么这些断丝中的电子运动就被阻断，相比于断丝前的铝导线，其电阻值将会增加，导电性能将会降低。

图1 电子在铜导体和铝导体中的移动轨迹

与之相比，铜基材导体表面在空气中不会迅速形成致密的氧化膜，因而即便是出现断丝现象，断丝中的电子仍可以借道其他铜丝向前运动。因此从定性的角度讲，铜导线在出现一定比例的断丝时，虽然导电性能有所下降，但仍能满足使用的要求。

1.2 铜铝导体接触部位存在电化学腐蚀

图2为不同金属材料在海水中的电化学势排序，可以看到铜金属和铝金属在海水中存在化学电位差。当这两种金属同时存在于一种电解液中时就会形成原电池，进而产生电化学反应。处于低电势的铝材质中的铝原子将会离开晶格并失去电子，从而形成水合离子。长期处于这种环境中的铝导体将会被逐步蚕食殆尽，这种现象被称作电化学腐蚀。

图2 不同金属材料在海水中的电化学势排序

当空气中的湿度较大或含有盐化的杂质时，就会形成理想的电解液环境，铜端子与铝导线直接接触的部位就形成了以铝为负极、铜为正极的原电池。如图3所示，如果连接部位处理不当，将会产生严重的电化学腐蚀，从而失去铜铝连接的电气性能和机械性能。

图3 铝导线在端子压接部位的电化学腐蚀案例

1.3 铝导线电气性能与机械强度弱于铜导线

在相同线径条件下的铝导线导电率要弱于铜导线，因此必须使用比铜导线线径更大的铝导线，以降低其阻值达到与铜导线等效的电气性能。

此外，铝导体的抗拉强度、硬度等机械性能都要弱于铜导体，因此不适合加工成铝端子与车上的其他部件连接，只能考虑采用铜端子与铝导线连接，但是连接部位容易出现机械损伤或疲劳损伤，因此在应用时必须采取相应的保护措施。

2 铝导线与铜端子焊接的评判依据

2.1 确保焊接部位良好的电气性能

2.1.1 确保选择的铝导线规格与铜导线等效

目前行业内普遍使用的铜导线标准为ISO 6722-1[1]，铝导线标准为ISO 6722-2[2]。铝导线等效替代必须考虑与被替代的铜导线有相类似的导电率、载流能力、降额曲线等特性，由此做到替换导体材质而保持原有的电路保护策略。

表1列举了可考虑等效替代的铝导线和铜导线规格的对照表。该表可作为铜-铝导线等效替代的参考，在具体应用时需要进一步验证确认。

表1 T3等级动力电缆铜-铝导线对照参考表

续表1

2.1.2 通过超声波焊实现铝丝间的电子自由移动

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在施加压力的情况下，使两个物体表面相互摩擦，从而形成分子层之间的熔合(见图4)。

图4 铝导线与铜端子超声波焊接后的形态

通过该方法，可以有效地破坏铝丝表面的氧化膜，实现电子在不同铝丝导体之间的自由移动(见图5)。

图5 铝导线焊接前后电子在导体中移动轨迹的变化

通过同样的方法，也可以使端子的铜基材与导线的铝基材之间实现分子层面的熔合，从而达到良好的电气性能。

汽车线束领域对超声波焊接性能的评价普遍使用USCar 38—2016标准[3]。在此版标准中已给出了铜端子与铝导线焊接的评判准则，对导电性能的评判方法和准则与铜端子对铜导线焊接相同。

2.2 确保焊接部位良好的机械性能

电缆组件在使用过程中会受到来自外力拉扯的风险，特别是大截面的电瓶线，外力往往会直接作用在单根电缆上。对于应用铝导线的电气回路，其机械强度相对薄弱的部位在焊接连接区域附近。例如在电瓶线装配的过程中，当出现不便于安装的情况时，操作人员会拉拽导线从而产生沿导线方向的直拉力，或对导线施加垂直于焊接面的撕裂力。因而在设计端子结构时需要考虑足够的保护措施以对抗直拉力和撕裂力。

在USCar38标准[3]中已规定了不同规格铝导线与铜端子连接时必须达到的直拉力(pull strength)下限值。对于大线径的铝导线(≥10 mm2)在USCar38标准[3]中没有明确规定撕裂力(peel strength)下限值，通常由整车厂工程师给出推荐的下限值。

2.3 确保焊接部位良好的抗电化学腐蚀性能

要防止铜端子和铝导线焊接部位的电化学腐蚀，关键是连接部位要与潮湿或盐化的环境之间做好隔绝措施。

常用的超声波焊接密封方式有两种：双壁热缩管密封(图6)和热熔胶密封(图7)。这两种方式在最后的环境验证试验中都能达到规范的要求，但是考虑到热熔胶工艺过程中胶水在注塑腔体内的流动性要求，热熔胶的壁厚必须保持至少2.5～3 mm，以致密封处理后端子连接部位体积较大，无法应用在装车环境狭小的空间内。而双壁热缩管在热缩处理后的壁厚在1～1.5 mm，因此双壁热缩管密封具有更广泛的适用范围。

图6 双壁热缩管密封

图7 热熔胶密封

双壁热缩管俗称带胶热缩管，它是通过高温加热后外壁收缩，内壁固态胶水融化成液态胶，经充分流动后覆盖在端子连接部位和导线绝缘皮表面，在冷却固化后达到密封效果。

连接部位的密封效果可以通过盐雾测试来评价。其评价的标准可以参考GMW3191[4]。

2.4 确保焊接部位良好的可制造性

超声波焊接是通过两个材料表面在一定压力和频率下高速往复相对运动，通过摩擦运动使两者表面产生高温熔化，并形成分子层的熔合。通常端子被固定在焊接设备上，而导线则相对于固定的端子做高频往复运动。因此端子需要有可靠的结构来进行固定。焊接效果的好坏同样可以通过USCar38标准[1]规定的直拉力要求和客户推荐的撕裂力要求进行测试评判。

3 铜端子设计的关键要素

3.1 端子结构设计

端子结构的设计主要从两个方面考虑。首先，确保导线与端子连接部位(见图8中A区域)的结构设计应尽量做到标准化，以确保连接性能的一致性和稳定性。其次，适应整车安装环境部位(见图8中B区域)的结构设计将根据整车环境需要进行差异化设计，如图9所示。

图8 端子与导线连接区域

图9 适用于不同装车环境的端子结构

文中讨论的是导线与端子连接部位的标准化设计，主要从3个方面展开：焊接区域结构设计、密封区域结构设计和压接翼结构设计。

3.1.1 焊接区域结构设计

焊接部位(见图8中C区域)主要由以下3个功能结构组成。

(1)铝导体与铜端子焊接区域。这个区域的大小决定了铝导线焊接后沿导线轴线方向的直拉力和垂直于端子焊接面的撕裂力的大小。USCar38[3]明确规定的线径大于6 mm2导线焊接区域的最小宽度。该区域的长度尺寸则根据最小直拉力和最小撕裂力的要求来确定。

(2)端子两侧的固定夹持区域。以端子在Schunk焊接设备上加工为例，端子两侧夹持部位是用来在加工时固定铜端子的，使其在焊接过程中相对于下模保持静止不动。确保端子和导线在高频发生器的作用下产生足够的摩擦运动，使两种导体表面充分结合。这也是确保连接部位良好电气性能和机械性能的关键结构之一。通常在端子两侧分别保留1～1.5 mm的宽度。

(3)焊接区域表面滚花压纹结构。即在端子表面增加矩阵式压纹，在超声波焊接后，铝导体会被嵌入到这些滚花压纹中，如图10和图11所示。

图10 端子表面压纹

图11 焊接后导线表面形状

使用该结构至少可以起到两个作用：(1)有助于破坏铝导体表面的氧化层，使非氧化的铝导体直接与铜导体表面接触；(2)可以增加铝导体在铜端子表面的附着力。压纹点的间距可以控制在1 mm，压纹深度可以控制在0.1 mm，如图12所示。

图12 端子滚花压纹结构

3.1.2 密封过渡区域结构设计

考虑到铝导线可能会应用在整车湿区环境中，为防止潮湿环境下的电化学腐蚀，必须对焊接部位进行密封处理。因此在端子焊接区域的前端到端子与车身连接孔之间必须预留出密封过渡的区域，如图8所示的D区域。

文中主要研究匹配双壁热缩管的端子结构设计。由于热缩管本身是圆柱形薄壁管，其一端是与同样圆柱形面的导线绝缘层外壁相结合，因此在热缩过程中，热缩管中的液态胶可以均匀流动并覆盖在导线绝缘层表面，从而起到良好的密封效果。

但是热缩管的另一端是与扁平的金属端子相结合。因此在端子设计过程中必需考虑以下几个方面：

(1)控制密封过渡区域的端子宽度。在热缩过程中，液态胶和热缩管外壁必定首先接触到端子两侧的冲切边，然后向端子上下两平面的中间部位流动。当液态胶在端子平面上流动时，需要一定的流动时间才能充分填充到端子表面。端子越宽，胶水需要流动到端子扁平表面中间部位的时间就越长。如果收窄端子的宽度，就可以加快胶水覆盖到端子表面的时间。所以在满足电气性能和机械性能的条件下，可以适当收窄端子前端的宽度，如图13所示。

图13 端子宽度收窄的密封过渡区域

(2)预留足够长度的密封过渡区域。由于大线径铝导线的焊接高度较大，如图14所示，且导线线径越大，与端子表面的落差就越大，如120 mm2铝导线的落差可达到3～5 mm。因此端子焊接区域前端必须预留足够的密封过渡区域，以确保前端有足够的长度被胶水完全填充。根据经验该区域的长度可控制在10～16 mm。

图14 导线焊接部位高度

(3)去除端子冲切面的毛刺。由于端子是金属冲压零件。在端子成型的冲压切断面上断裂带的根部会产生锋利的毛刺(如图15所示)。在热缩的过程中毛刺有刺破热缩管管壁的风险，进而导致热缩管密封失效。因此，端子从密封过渡区开始向后，所有与热塑管接触的部位，都必须对切断面进行倒角处理。建议采用R=0.5 mm的倒圆角(见图13)。

图15 端子冲切面结构

3.1.3 压接翼结构设计

由于铝导线的抗拉强度和抗剪切强度都要弱于铜导线，其抗疲劳强度也要弱于铜导线。这在一定程度上限制了铝导线在整车上的应用，到目前为止铝导线仍被禁止使用在发动机本体上。但是大线径电缆通常都会被使用在发动机舱内，例如连接蓄电池与电源分配器(PDU)之间电瓶线。在这些动力电缆上应用铝导线具有极高的经济价值。因此针对这些应用需要考虑专门的结构来提高连接部位的抗疲劳强度和抵御装配过程中的外力作用。而在铜端子和铝导线的连接中，最为薄弱的环节是端子尾部到导线绝缘层之间的区域(见图16)。因此该部位需要采用额外结构以增加强度，即在端子尾部增加绝缘皮压接翼结构。通过压接翼环抱在导线的绝缘层外部(见图17)，有效地将一部分外力传递到金属端子本体上，缓解了铝导线根部直接受到外力作用和疲劳负载。

图16 铝导线连接中最薄弱的部位

图17 带压接翼结构的铜端子

另外，考虑到大线径电缆的外径较大。例如120 mm2的铝导线的外径达到18.7 mm。由于端子尾部增加了压接翼结构，如果端子的焊接区域表面与压接翼底面设计在同一平面上，则在焊接时芯线会向一侧偏斜，导致铝导线焊接部位前端的铝丝参差不齐，其中过长的铝丝会有戳破热缩管管壁的风险。与此同时，端子后端的压接翼直接压在导线上端，致使铝导线上端的铝丝存在较大的拉伸应力。该区域的铝丝容易在较小的外力作用下被拉断，从而降低连接部位的电气性能和机械性能。

为了避免此现象的产生，如图18所示，可以通过以下两个措施来解决：

(1)端子压接翼底面与端子焊接面设计成有落差的结构(见图中X尺寸)，使铝导线焊接部位尽量靠近导线的轴线，减小偏置的影响；

(2)控制绝缘层压接翼与焊接区的过渡距离(见图中Y尺寸)，减小因过渡区域过短而导致焊接区域的铝丝受到拉扯作用的影响。

图18 端子尾部台阶过渡结构

3.2 端子基材选择

铜端子的基材通常采用黄铜(CuZn37)，即含锌37%的铜锌合金。含锌的目的是让其作为牺牲阳极，减缓铝电缆导体被电化学腐蚀。

3.3 端子表面处理

铜端子与铝导线焊接连接部分，相对于铜端子与车身连接部分因功能不同，其表面需要采用不同的表面处理方式。

3.3.1 端子焊接部位表面有清洁度要求

铜铝导体焊接部位表面的清洁度状况会直接影响到焊接后两连接导体间的机械性能。因此端子焊接表面需要进行清洁处理，去除端子加工过程中产生的油污等异物，端子焊接表面的湿润表面张力必须达到38 mN/m以上(根据DINISO8296标准[6])。

端子表面是否达到规定的表面张力，可以通过Arcotest公司提供的对应38 mN/m规格的墨笔进行判断，即在洁净处理后的端子表面用墨笔进行涂鸦测试。如果涂鸦痕迹在约2 s或2 s以内消失，则说明端子表面的湿润表面张力达到规定的要求。

经过清洁处理的端子成品在运输过程中建议使用真空袋包装加以防护。端子在使用时应采用干净的手套进行取放，防止端子表面被二次污染。

3.3.2 端子与车身连接部位的表面需进行镀锡处理

黄铜端子通常是与材质为低碳钢的车身钣金相联接。两种不同材质的接触同样存在化学电位差(电位差约为0.45 V)。为了缩小两种材料的直接接触，可考虑在端子表面与钣金接触的部位作镀锡处理。锡元素的电化学势介于黄铜和低碳钢之间，因此可以有效地缓解黄铜和车身钣金直接接触而产生的电化学腐蚀反应。建议锡的镀层厚度控制在5 μm。

3.4 铜端子标准化结构设计总结

综上所述，适用于铝导线焊接连接的铜端子标准化结构主要包含以下几个方面的特征：

(1)端子基材:建议使用CuZn37黄铜材料。

(2)端子焊接部位: 端子焊接表面采用滚花压纹结构；端子焊接区域两侧需要有焊接定位结构；端子焊接区域表面需进行清洁度理。

(3)端子焊接部位前端: 端子焊接区域前端需要预留热缩管密封过渡区域；端子前端与车身连接部位需要进行镀锡处理。

(4)端子焊接部位后端: 端子尾部增加压接翼结构；端子压接翼底面与焊接面之间需要采用台阶过渡结构。

(5)端子冲切部位: 端子焊接区域、前端密封过渡区域和后端压接翼区域的冲切部位需要增加去毛刺的倒角结构。

(6)焊接部位保护: 端子焊接区域采用双壁热缩管进行密封保护。

4 铜端子与铝导线连接部位验证试验与结论

120 mm2铝导线与铜端子的超声波焊接是目前低压线束中已量产应用的最大线径组合。表2列举了该规格焊接连接的验证试验内容和结果。经过验证证明，根据上述思路设计的连接方案是可行且可靠的。

表2 120 mm2铝导线超声波焊接连接DV试验结果

5 铝导线与铜端子超声波焊接的局限性

铝导线与铜端子超声波焊接相比于其他连接方式虽然有成本上的优势，但是该连接方案也有其局限性。主要有以下3个方面：

(1)为了确保导线与端子的连接有足够的抗拉强度，必须设计足够大的焊接面积。这会导致端子焊接区域的尺寸较大，致使在整车环境中需要为端子预留足够大的空间。因此在空间结构较为紧凑的车型上应用就会受到布置的局限，需要考虑其他的连接方式。

(2)由于大线径电缆对应的端子宽度尺寸较大，导致热缩管在热缩过程中，管内的液态胶有可能无法在自然状态下均匀流动而实现密封。在这种情况下，需要通过额外添加胶粒来实现焊接区域前端的密封。

(3)由于铝导线的强度低于铜导线强度，因此铝导线在整车带有高频振动源的部件上(如发动机本体等)应用受到限制。

6 结束语

通过以上探讨，梳理了铜端子标准化结构设计的思路，以此为基础可以系列化开发适用于不同线径铝导线超声波焊接的铜端子。其意义在于：可以确保超声波焊接后铜铝导体在连接上具有良好的机械性能和电气性能，同时能够有效地防止电化学腐蚀；在整车电气系统开发时，可以依据所应用的铜铝连接标准化设计参数，提前预留铜铝连接所需要的空间环境，提高设计质量，缩短开发周期。

铝导线与铜端子超声波焊接，采用了目前线束制造行业最为常用的超声波焊接工艺和热缩加工工艺，无需投资额外的专用加工设备。因此其未来的应用具有极好的经济价值和广阔的市场前景。